戴云山隧道燕尾段施工数值仿真分析

， ，

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司，河北 石家庄 050011)

0 引言

燕尾式隧道是近年来国内出现的一种新型的隧道结构形式，它由大跨加宽段、连拱段、小净距段和分离段组合而成，较普通隧道结构复杂，开挖跨度较大且断面结构型式变化频繁，围岩经受多次扰动，稳定性差，给施工带来了极大的难度[1-2]，引起工程界的普遍关注。张家新等人利用ABAQUS有限元程序建立了八字岭隧道数值模型，模拟了其不同洞段的开挖过程，提出合理的支护形式参数[3]；胡剑兵利用大型有限元软件对八字岭隧道施工过程进行数值模拟，分析了围岩变化和破坏的特性[4]；王汉鹏等人建立了八字岭分岔隧道的三维数值模型，得到了隧道围岩的位移、应力和损伤屈服区[5]等，前人的研究一般集中于理论和力学性质研究，对燕尾段隧道的施工方法及技术措施分析较少。本文根据数值模拟结果，从指导现场施工的角度指出燕尾式隧道在施工过程中将会遇到的重难点问题并提出相应的施工对策，可为同类隧道的设计施工提供科学的依据与参考。

1 工程概况

戴云山隧道位于福建省福州市与三明市交界处，是新建向莆铁路重点控制性工程之一。隧道燕尾段处于F4断层影响带范围之内，F4断层产状165°∠60°，与线路交角约为45°；断层以密集节带的形式表现，局部沿节理面产生水平滑移，地表宽度约为3 m，长度为800 m；该断层为左旋平移断层，其上盘影响宽度约为20 m，下盘影响宽度约为10 m，在影响范围之内的岩石节理裂隙相对发育，岩石破碎，地下水为构造裂隙水，较发育，为强富水区。燕尾段围岩分级如表1所示。

表1 隧道燕尾段围岩分级里程长度/m围岩级别隧道结构型式备注DK422+950^DK423+520570IV大跨+连拱煤系地层局部软弱夹层DK423+520^DK423+54020IV连拱F4断层影响带DK423+540^DK423+56020V连拱F4断层DK423+560^DK423+58020IV连拱F4断层影响带DK423+580^DK423+888308III小净距III级围岩

燕尾段埋深为125～365 m之间，其中大跨加宽段最大开挖跨度21.01 m，开挖高度15.82 m，开挖面积达到267.9 m2。隧道大跨段采用三台阶法进行开挖，连拱段以中导洞超前，右洞全断面先行开挖，小净距段采用右洞全断面先行，左洞全断面再开挖。隧道燕尾段采用Ф42超前小导管支护，长度4 m，间距40 cm；径向注浆锚杆长度4 m，间距环向1.0 m，纵向1.0 m,；开挖后采用I22a型钢和I18型钢钢拱架网喷，钢拱架间距60 cm，喷射混凝土为C25合成纤维，厚度30 cm，二次衬砌为C35钢筋混凝土，厚度60 cm。

2 数值模拟分析

2.1 建立有限元模型

数值模拟采用地层—结构模型，将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系。燕尾段局部网格划分如图1所示。

图1 燕尾段模型及网格划分

有限元模型计算范围在水平方向左右两侧取值为隧道跨度的3～4倍，竖直方向向上取至地表，本次模拟大跨断面埋深130 m，连拱断面埋深210 m，小净距断面埋深350 m，向下取值为隧道开挖轮廓尺寸的3～4倍；边界条件设置为位移边界条件，左右两侧和底面均为法向约束条件，上部顶面为自由边界；岩体本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型；围岩自重应力场作为初始应力场；钢拱架模拟采用弹模等效原则折算给初喷混凝土层；围岩与初衬单元采用CPE4R 4节点平面应变积分单元，锚杆采用T2D2二维二节点桁架单元[6]。材料参数列于表2，数值模拟开挖步序如图2所示。

图2 燕尾段开挖模拟步序图(单位：m)

表2 计算模型的材料参数材料名称密度/(kg·m-3)弹性模量E/GPa泊松比υ内摩擦角c/(°)剪涨角φ/(°)粘聚力/MPa备注大跨段围岩 2 0003.00.3527240.45IV级围岩连拱段围岩 2 0003.00.3527240.45IV级围岩小净距段围岩2 3006.00.339360.7III级围岩初期支护 2 40023.00.2C25 混凝土二次衬砌 2 50032.00.2C35 混凝土中隔墙 2 30028.00.2C20 混凝土锚杆 7 800200.00.2Ф22

2.2 围岩应力场分析

由计算得到的围岩应力云图如图3所示。由图3可以看出，大跨段开挖过程中，拱底出现拉应力，数值为0.038 MPa，左右边墙位置处所受压应力较大，应力值为9.096 MPa；连拱段开挖过程中，左右两洞拱底处最大值应力值较大，但均无拉应力产生，中墙上方岩体所受压应力较大，为8.582 MPa；小净距段开挖过程中，先行右洞拱顶、后行左洞拱顶和拱底均不同程度的出现了拉应力，尤其以后行左洞拱底拉应力较大，为0.078 MPa，中夹岩柱承受压力为12.37 MPa；根据围岩应力分布情况可以确定洞周围岩基本稳定[7]，其中大跨段边墙处围岩，连拱段中隔墙上方岩体和小净距段中夹岩柱应力值较大，在整个燕尾段开挖过程中需加强重点保护。

图3 围岩应力分布云图(单位：MPa)

2.3 位移场分析

燕尾段开挖后位移矢量如图4所示，其中大跨段拱顶沉降11.59 mm，拱底回弹12.5 mm；连拱段先行右洞拱顶沉降8.38 mm，拱底回弹8.80 mm，后行左洞拱底沉降8.11 mm，拱底回弹8.79 mm；小净距段先行右洞拱顶沉降4.67 mm，拱底回弹5.12 mm，后行左洞拱顶沉降4.65 mm，拱底回弹5.06 mm；从围岩最终收敛情况可以判定洞周围岩基本稳定，整个燕尾段拱顶沉降与拱顶回弹以大跨段变化最为显著，连拱段次之，小净距段变形最小；纵向来看，燕尾段拱底回弹量均大于拱顶沉降量，尤其在高地应力情况下遇到局部软弱夹层或膨胀性围岩时，由于洞底开挖使上部围岩压力解除，应力得到释放，加之洞室积水，很可能造成洞底围岩隆起变形，因此施工过程中应及时排出拱底积水，并注意仰拱施作的及时性，以有效控制洞底的隆起变形；应特别注意的是，连拱段位移矢量图显示中隔墙出现了整体向左偏移的现象，因此应采取必要的措施防止中隔墙发生偏移。

图4 燕尾段位移矢量图

2.4 连拱段中隔墙应力分析

数值模拟所选断面处中隔墙高度为6.61 m，墙顶宽度1.64 m，墙底宽度3.96 m。为便于分析中隔墙应力动态变化情况，选取中隔墙左、右墙壁中点和墙底中点为应力分析的关键点。中隔墙应力分布如图5所示。

图5 连拱段全断面法开挖后中隔墙应力云图 (单位：MPa)

中洞开挖中隔墙施作后，左、右墙壁中点压力值为6.322 MPa，墙底压力为0.484 MPa；先行右洞支护完成后，中墙右壁中点压应力增长为13.233 MPa，相对于上一步的应力增量为6.911 MPa，左壁中点压应力增长为6.46 MPa，墙底中点压应力减小为0.208 MPa；后行左洞开挖后，中墙右壁中点压应力增长为14.919 MPa，增量为1.686 MPa，左壁中点压应力增长为11.391 MPa，墙底中点由压转拉，拉应力为1.407 MPa。根据中墙左右边墙和墙底的三个关键点的应力变化情况可以看出中隔墙受力在其材料强度允许范围之内，整个施工过程中，先行右洞开挖后，中隔墙出现了明显的偏压受力，右侧压应力明显大于大于左侧，待后行左洞开挖后，中隔墙偏压受力情况才得以改善，中隔墙墙底应力在后行左洞开挖后由压变拉。

2.5 初期支护应力分析

初期支护最终应力分布情况列于表3。

表3 燕尾段初期支护应力值MPa隧道结构型式初期喷射混凝土层最大主应力出现位置最小主应力出现位置系统锚杆最大主应力出现位置大跨度1.87拱底-12.76边墙217.0拱腰连拱0.880中墙上方-17.00右洞左拱腰197.4左洞右拱腰小净距0.788左洞拱底-14.18中夹岩柱侧壁186.4左洞右边墙偏上

根据燕尾段初期支护应力的模拟结果，可以看出初期支护体系基本处于安全状态，其中以大跨段拱底位置所受拉应力最为明显，因此施工过程中更应该注意仰拱施作的及时性，以使初期支护体系及时闭合成环，充分发挥支护作用，有效控制大跨隧道的变形收敛；初喷砼层压应力以连拱段先行右洞左拱腰处(即中隔墙右上方)最为显著，小净距段中夹岩柱次之，施工过程中应当注意对连拱段中墙上方岩体和小净距段中夹岩柱的保护；锚杆支护体系发挥的作用在大跨段中最为显著，连拱段次之，小净距段最小，拱腰位置处的锚杆所受拉应力最大。

3 结论

通过对戴云山隧道燕尾段开挖过程的数值模拟分析，得出以下结论与建议：

(1)大跨段开挖后拱顶下沉与拱顶回弹量值较大，不但要采用超强小导管预支护措施，对工作面前方岩体进行预加固以控制拱顶沉降，防止坍塌险情发生，还应该及时施作隧道仰拱，使初期支护体系快速闭合成环联合发挥作用，以有效抑制拱底回弹。

(2) 连拱段中隔墙上方岩体所受压应力最大，考虑到现场爆破开挖对该部分岩体的多次扰动，可以确定中隔墙上方岩体为整个连拱隧道的薄弱部位，所以中导洞开挖时应重视超前小导管施作的及时性，以加固中隔墙上方岩体。

(3)连拱段中隔墙整体向左偏移，并表现出偏压和墙底受拉的力学特点，建议中墙基底采用地基锚杆锚固，清底回填与二衬等强度混凝土，以减小墙底拉应力，并有必要在后行左洞未开挖围岩与中墙之间施作钢支撑工程，以平衡先行右洞开挖后初支拱圈的推力，防止中隔墙向左偏移，减小中隔墙偏压程度。

(4)小净距段中夹岩柱承受压力较大，很可能出现失稳破坏的情况，建议采用预裂爆破和光面爆破技术以减小对中夹岩柱的震动影响，其次采用小导管注浆、系统锚杆、水平贯通预应力锚杆等方法加固中夹岩柱，及时施作初期支护，使中夹岩柱处于有利的三向受压状态。

参 考 文 献

[1]周有江.燕尾式隧道设计及施工探讨[J].隧道建设,2009,29(3):367-370.

[2]蔚立元,李术才,郭小红,等.分岔隧道过渡段稳定性研究[J].中国公路学报,2011,24(1):89-95.

[3]张家新,柳治国.分岔隧道的围岩应力及变形数值分析[J].土工基础,2009,23(4):33-36.

[4]胡剑兵,乔春江,杨林松,等.分岔隧道施工三维数值仿真模拟研究[J].公路,2009(3):193-199.

[5]王汉鹏,李术才,郑学芬.偏压分岔隧道施工过程损伤破坏分析与优化研究[J].岩土力学,2009,30(6):1705-1710.

[6]陈卫忠,伍国军,贾善坡. ABAQUS在隧道及地下工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[7]张永利.大跨度浅埋软弱围岩隧道施工方法比较[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版，2012，25(1):68-70.